EP3306066A1 - Turbofan-triebwerk für ein ziviles überschallflugzeug - Google Patents

Turbofan-triebwerk für ein ziviles überschallflugzeug Download PDF

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EP3306066A1
EP3306066A1 EP17194091.9A EP17194091A EP3306066A1 EP 3306066 A1 EP3306066 A1 EP 3306066A1 EP 17194091 A EP17194091 A EP 17194091A EP 3306066 A1 EP3306066 A1 EP 3306066A1
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EP
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adjustable
wall
nozzle
exhaust nozzle
thrust reverser
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EP17194091.9A
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Knut Rosenau
James Robert Mcleavy Hill
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Publication date
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to a turbofan engine for a civil supersonic aircraft according to the preamble of patent claim 1.
  • the RB199 engine installed in the Tornado fighter plane features a three-stage fan and an adjustable thrust reverser with thrust reverser.
  • convergent-divergent thrusters are known from the EJ200 engine of the Eurofighter bomber.
  • engines known from military technology for supersonic operation can not be used in the civil sector because the requirements, for example with regard to engine noise and fuel consumption, are not sufficient.
  • the present invention has for its object to provide an efficient turbofan engine that is suitable for supersonic operation.
  • the invention provides a turbofan engine for a civil supersonic aircraft.
  • This includes an engine intake, which is designed and designed for supersonic operation and delays the incoming air at sonic speed. It is a multi-stage, for example, a two-stage or a three-stage fan provided, which is located behind the engine inlet.
  • the engine includes a core engine having a compressor, a combustor, and a turbine. There is a primary flow channel passing through the core engine and a secondary flow channel leading past the core engine.
  • the turbofan engine further includes an adjustable convergent-divergent exhaust nozzle forming the rear end of the engine and having a nozzle throat surface and a nozzle exit surface, wherein at least the nozzle throat surface is adjustable.
  • the narrowest cross-sectional area of the exhaust nozzle and, as the nozzle outlet area, the cross-sectional area at the rear end of the exhaust nozzle are referred to as nozzle throat area.
  • the exhaust nozzle has a front, upstream non-adjustable region and a rear, downstream adjustable region.
  • a thrust reverser is provided which is integrated with the adjustable convergent-divergent exhaust nozzle, i. at least some of the components of the thrust reverser are formed by components of the exhaust nozzle. It is provided that the thrust reverser is integrated in the front, non-adjustable region of the exhaust nozzle.
  • the nozzle exit surface may also be adjustable.
  • the nozzle exit surface can be designed as not adjustable.
  • a convergent-divergent exhaust nozzle makes it possible, inter alia, to adjust the efficiency of the compressor by changing the nozzle throat area and thus the conicity of the exhaust nozzle. By changing the nozzle exit area and thus the divergence at the nozzle outlet, the speed of the gas flow can be adjusted.
  • the additional provision of a thrust reverser and its integration into the exhaust nozzle allow a short Braking distance of the aircraft at low structural loads.
  • the turbofan engine is, for example, for a speed range of Ma 1.0 to Ma 3.0, in particular Ma 1.2 to Ma 1.8 and for a launch thrust range of 44.482 N (10,000 lbf) to 444.820 N (100,000 lbf), Specifically designed for a launch thrust range of 66,723 N (15,000 lbf) to 133,446 N (30,000 lbf).
  • the rear, adjustable region includes adjusting mechanisms for adjusting the nozzle throat area and possibly the nozzle exit surface.
  • front and rear are to be understood in relation to the flow direction in the engine.
  • the term “front” thus means “upstream” and the term “rear” means “downstream”.
  • the exhaust nozzle comprises an inner wall and an outer wall, wherein the inner wall faces the gas flow and limits the flow path through the exhaust nozzle.
  • the outer wall is adjacent to the surroundings.
  • the front, upstream, non-adjustable region of the exhaust nozzle comprises a front, non-adjustable region of the outer wall and a front, non-adjustable region of the inner wall.
  • the rear, downstream adjustable area of the exhaust nozzle comprises a rear, adjustable area of the outer wall and a rear, adjustable area of the inner wall. In the rear area thus both the inner wall and the outer wall are designed to be movable.
  • the rear, adjustable portion of the inner wall has a front adjustable inner wall portion and a rear adjustable inner wall portion. The inner wall is thus additionally divided into two areas in its rear, adjustable area.
  • the rear adjustable inner wall portion is connected to the front adjustable inner wall portion, for example via hinge joints.
  • the front adjustable inner wall portion is also connected to the front, non-adjustable portion of the inner wall, for example via hinge joints. This also applies to the connection between the rear, adjustable area of the outer wall and the front, non-adjustable area of the outer wall.
  • An embodiment of the invention provides that the exhaust nozzle in the front, non-adjustable region of the inner wall is provided with a sound-absorbing lining (also referred to as "noise liner"). This significantly reduces engine noise.
  • a sound absorbing liner may also be formed in other portions of the engine. For example, it can be provided that the engine intake is also provided with a sound-absorbing lining.
  • the turbofan engine has two independently controllable adjustment mechanisms that include axially slidable rings and are provided and configured, the exit surface of the front adjustable inner wall portion (forming the nozzle throat surface) and the exit surface of the rear adjustable inner wall portion (forming the nozzle exit surface) ), to adjust.
  • the adjustment of the front and rear adjustable inner wall area by means of sliding rings is to be understood only as an example. Alternatively, the adjustment via other Verstellaktuatoren, for example in the form of pistons or the like done.
  • the rear adjustable inner wall region and the adjustable region of the outer wall can be provided that each consist of a plurality of circumferentially distributed segments. For example, for this purpose between 4 to 20, in particular 8 to 16 distributed over the circumference segments are provided.
  • the inner wall and the outer wall of the exhaust nozzle taper towards each other at the nozzle outlet edge. As a result, turbulence of the flow at the outlet edge is prevented or at least reduced.
  • the inner wall and the outer wall of the exhaust nozzle are interconnected by guide elements, such as a roller guide or a sliding guide, wherein the guide elements ensure that the inner wall and the outer wall taper in each adjustment of the exhaust nozzle to the exit edge point.
  • guide elements such as a roller guide or a sliding guide
  • the guide elements ensure that the inner wall and the outer wall taper in each adjustment of the exhaust nozzle to the exit edge point.
  • the rear adjustable inner wall region and the rear adjustable region of the outer wall are connected to one another via guide elements.
  • the nozzle outlet edge is formed tapering, for example, it is provided that the inner wall and the outer wall of the exhaust nozzle on the Nozzle outlet edge have a small radial distance which is in the range between 5 mm and 30 mm, in particular in the range between 10 mm and 20 mm.
  • the thrust reverser integrated in the exhaust nozzle is designed according to an embodiment of the invention as an external thrust reverser, i. it pivots in the event of actuation in a position behind the exhaust nozzle.
  • An embodiment for this provides that the thrust reverser has pivotable thrust reverser doors, which are formed by the front, non-adjustable region of the outer wall. The front, non-adjustable portion of the inner wall remains in place and is not pivoted, i. The inner wall of the exhaust nozzle is not adjusted by operating the thrust reverser.
  • the thrust reverser integrated in the exhaust nozzle is designed as an internal thrust reverser, wherein the flow is directed laterally, i. is directed up and down from the exhaust nozzle.
  • the thrust reverser has rotatable thrust reverser doors, which are formed by the inner wall and the outer wall of the front, non-adjustable region of the exhaust nozzle. After turning the thrust reverser doors, the gas flow is thus deflected outwards in the exhaust nozzle.
  • the exhaust nozzle is rectangular in cross-section at least in its adjustable region and accordingly forms two side walls, an upper wall and a lower wall, which are each formed flat. It is envisaged that only the upper and the lower wall are adjustable.
  • the exhaust nozzle is divided in its rear, adjustable range in this embodiment in two sub-areas, a front and a rear adjustable portion, ie the upper wall consists of two upper planar segments, which are each adjustable, and the lower wall consists of two lower planar segments, each adjustable.
  • the segments can also comprise the outer wall of the exhaust nozzle next to the inner wall of the exhaust nozzle.
  • the upper and lower segments of the front adjustable portion and / or the upper and lower segments of the rear adjustable portion are moved toward or away from each other in the vertical direction.
  • This embodiment has a particularly simple structure, since it must be adjusted for an adjustment only flat segments.
  • the vertical direction refers to the orientation in which the engine is attached to the aircraft.
  • planar adjustable surfaces may be rounded at their sides to the fixed walls.
  • the upper and lower edges of the nozzle exit surface can be made curved upward or downward, so that the nozzle exit surface can deviate from a rectangular cross-section. As a result, a better outer flow around the exhaust nozzle can be achieved.
  • the turbofan engine comprises a multi-stage fan. According to one embodiment of the invention, this is designed such that it has large axial distances between the fan rotor blades and the fanstator blades for noise reduction.
  • Each fan stage of the multi-stage fan features a fan rotor and a fanstator. According to one embodiment, it is provided that for at least one fan rotor or fanstator that in the radial flow center of the axial distance between the blades of a fan rotor or fanstator and the blades of the upstream immediately upstream fanstator or fan rotor between 60% and 150%, in particular between 80% and 130% of the axial length of the blades of the upstream fanstator or fan rotor.
  • the axial distance between the blades of the first-stage fanstator and the blades of the first-stage fan rotor is between 60% and 150%, in particular between 80% and 130% of the axial length of the blades of the fan rotor, and / or that the axial distance between the blades of the second stage fan rotor to the blades of the first stage fanstator is between 60% and 150%, more preferably between 80% and 130% of the axial length of the blades of the first stator Level is.
  • the blade tip at the leading edge (ie, the axially leading edge) of the second rotor stage of the fan is between 2% to 10% relative to the machine axis, in particular between 3% to 6% radially further inside than the blade tip at the inlet edge of the first rotor stage of the fan.
  • stator blades of the fan are rotatable about their radial axis.
  • an embodiment of the invention provides that the turbofan engine in an engine nacelle with is arranged circular or approximately circular cross-section, wherein the engine nacelle has no local thickening for transmission and / or ancillaries.
  • An approximately circular cross-section is present when the radius varies along the circumference by not more than 10% of its maximum value. The invention thus provides according to this embodiment, a lean engine nacelle without local thickening.
  • a further embodiment of the invention provides that in the drive train between a low-pressure turbine of the engine and the fan, a reduction gear is provided to set the speed of a high-speed low-pressure turbine on the multi-stage fan.
  • the reduction gear is formed for example as a planetary gear.
  • a nose cone arranged upstream of the fan is designed to be displaceable in the axial direction.
  • the axially displaceable nose cone is held, for example, via an axially located in front of the fan rotor structure which is supported on the fan housing or the engine inlet. Due to the displaceability of the nose cone, the engine intake can be adapted to different operating conditions. For example, a complete extension of the nose cone at higher speeds from about Ma 1.5 may be provided.
  • the turbofan engine has a mixer located behind the core engine that mixes air from the primary flow channel and air from the secondary flow channel.
  • the mixer and / or an outlet cone of the engine are designed to be axially displaceable.
  • a displacement can be provided by actuating cylinder, which are arranged outside the low-pressure turbine or outside of the bypass housing and actuated, for example via rocker arm. It is provided that at the speed of sound, the mixer and / or the outlet cone are fully extended.
  • the present invention also relates to a supersonic civil aircraft with a turbofan engine according to claim 1.
  • An embodiment provides that an auxiliary equipment carrier of the turbofan engine and / or the auxiliary equipment driven by the auxiliary equipment carrier are at least partially mounted in a pylon and / or in the fuselage.
  • the relocation of the Auxiliary equipment carrier and / or the auxiliary equipment from the engine out into the pylon and / or the fuselage allows a slim gondola with low air resistance.
  • the exhaust nozzle with integrated thrust reverser has two front thrust reverser doors and two rear nozzle sections which are provided with an adjusting mechanism for adjusting the nozzle throat surface and the nozzle exit surface, wherein for thrust reverser extension the thrust reverser doors are pivotable together with the rear nozzle sections.
  • the adjusting mechanism for adjusting the nozzle throat surface and the nozzle exit surface comprises at least one eccentric, which is mounted on the common axis of rotation of the thrust reverser doors and the rear nozzle sections.
  • the FIG. 1 shows a turbofan engine for a civil supersonic aircraft.
  • the turbofan engine includes an engine intake 1, a multi-stage fan 3, a primary flow channel 6 passing through a core engine, a secondary flow channel 5 passing the core engine, a mixer 12, and a convergent-divergent exhaust nozzle 4 into which a thrust reverser 15 is integrated.
  • the turbofan engine has a machine axis or engine centerline 8.
  • the engine axis 8 defines an axial direction of the turbofan engine.
  • a radial direction of the turbofan engine is perpendicular to the axial direction.
  • the core engine has, in a manner known per se, a compressor 7, a combustion chamber 11 and a turbine 91, 92.
  • the compressor comprises a high-pressure compressor 7.
  • a low-pressure compressor is formed by the regions near the hub of the multi-stage fan rotor 3.
  • the turbine arranged behind the combustion chamber 11 comprises a high-pressure turbine 91 and a low-pressure turbine 92.
  • the high-pressure turbine 91 drives a high-pressure shaft 81, which connects the high-pressure turbine 91 with the high-pressure compressor 7.
  • the low-pressure turbine 92 drives a low-pressure shaft 82, which connects the low-pressure turbine 92 with the multi-stage fan 3.
  • the turbofan engine is disposed in an engine nacelle 10. This is connected, for example via a pylon with the fuselage.
  • the engine intake is in the FIG. 1 but not necessarily tapered to form an angle ⁇ , the lower edge projecting from the upper edge. This serves to better distribute compression collisions occurring in supersonic flight. In principle, however, the engine intake can also be straight, ie formed at an angle ⁇ of 90 °, or at a different angle.
  • the engine intake 1 has an inner lining with a sound-absorbing material 21. This serves to reduce engine noise.
  • the fan 3 is designed as a multi-stage fan, in the illustrated embodiment as a two-stage fan. Accordingly, the multi-stage fan 3 comprises a fan rotor 31 and a fanstator 32, which form a first, front Fanmé, and a fan rotor 33 and a Fanstator 34 a, 34 b, the form a second, rear fan stage. Upstream, the fan 3 is provided with a nose cone 35.
  • the fan rotors 31, 33 each include a plurality of rotor blades.
  • the front fan stage fanstator 32 includes a plurality of stator blades mounted in a fan housing 37, shown schematically.
  • the Fanstator of the rear fan stage is radially split and is by a Leitgitter 34 a, which is formed at the entrance of the primary flow channel 6, and a guide grid 34 b formed, which is formed at the entrance of the secondary flow channel 5.
  • the fan rotors 31, 33 are formed in BLISK construction and firmly connected to each other.
  • the flow channel through the fan 3 is divided behind the fan rotor 33 in the primary flow channel 6 and the secondary flow channel 5. Both fan rotors 31, 33 are thus located upstream of the division of the flow channel into the primary flow channel 6 and the secondary flow channel 5.
  • the secondary flow channel 5 is also referred to as a bypass channel or bypass channel.
  • the primary flow in the primary flow channel 6 and the secondary flow in the secondary flow channel 5 are mixed by the mixer 12. Further, an outlet cone 13 is mounted behind the turbine to realize desired cross-sections of the flow channel.
  • the rear region of the turbofan engine is formed by a thrust nozzle 4, in which a thrust reverser 15 is integrated.
  • the exhaust nozzle 4 has a front non-adjustable region 41 and a rear adjustable region 42, 43, the rear adjustable region in turn divided into a front adjustable portion 42 and a rear adjustable portion 43.
  • the exhaust nozzle is formed by an inner wall 44 and an outer wall 45.
  • the inner wall 44 forms the boundary of the flow channel 20 in the exhaust nozzle 4.
  • the outer wall 45 is formed radially outward to the inner wall 44 and adjacent to the environment.
  • the inner wall 44 and the outer wall 45 are tapered downstream toward each other and form at their downstream end a nozzle exit edge 46, as shown in FIGS FIG. 4a will be explained.
  • the front, non-adjustable region 41 of the exhaust nozzle 4 comprises a front, non-adjustable region 451 of the outer wall 45 and a front, non-adjustable region 441 of the inner wall 41 (see. FIG. 4 ).
  • the rear adjustable region 42, 43 of the exhaust nozzle 4 comprises a rear, adjustable region 452 of the outer wall 45 and a rear, adjustable region 442, 443 of the inner wall 44, wherein the rear, adjustable portion of the inner wall has a front adjustable inner wall portion 442 and a rear adjustable inner wall portion 443 (see. FIG. 4 ).
  • the inner wall region 442 in the region 42 and the inner wall region 443 in the region 43 of the exhaust nozzle 4 are formed.
  • the rear adjustable inner wall portion 443 is connected to the front adjustable inner wall portion 442 via hinge joints 173.
  • the front adjustable inner wall portion 442 is connected to the front, non-adjustable portion 441 of the inner wall 44 via hinge joints 171.
  • the rear, adjustable portion 452 of the outer wall 45 and the front, non-adjustable portion 451 of the outer wall 45 is connected via hinge joints 172.
  • the inner wall 44 is provided in the front, non-adjustable region 441 with a sound-absorbing lining 22, which serves to reduce noise.
  • the convergent-divergent exhaust nozzle 4 has an adjustable nozzle throat area 16 and an adjustable nozzle outlet area 17.
  • the nozzle throat area 16 represents the narrowest cross-sectional area of the flow passage through the exhaust nozzle 4. It is realized at the rear end of the area 42 of the exhaust nozzle 4.
  • the nozzle exit surface 17 gives the cross-sectional area at the nozzle exit, i. at the nozzle exit edge 46 at.
  • two independently controllable adjusting mechanisms are provided, each having an axially displaceable ring 181, 182 and a plurality of hinges.
  • a front adjusting ring 181 is provided, which is coupled via rocker arm 24 with the hinge joints 173.
  • a rear adjusting ring 182 is provided, which is coupled via rocker arm 25 with hinge joints 174.
  • the nozzle exit surface 17 can be adjusted.
  • the front adjustable inner wall portion 442, the rear adjustable inner wall portion 443 and the adjustable portion 452 of the outer wall 45 each consist of a plurality of circumferentially distributed segments 420, 430, 425.
  • the segments 425 of the rear portion 452 of the outer wall 45 are also in the lower half of FIG. 1 shown in which the engine is not shown cut.
  • the thrust reverser 15 is integrated in the exhaust nozzle 4.
  • the thrust reverser 15 comprises two thrust reverser doors 151 which are formed by sections in the front, non-adjustable region 451 of the outer wall 45.
  • the thrust reverser 15 is in the FIGS. 1 to 4 shown in the retracted state.
  • rocker arms 152 are provided, which are mounted at pivot points 153, 154 on the thrust reverser doors 151 and on the exhaust nozzle 4, see.
  • FIGS. 1 and 3 In the extended state, cf. FIG. 1 , the thrust reverser doors 151 are folded behind the nozzle outlet edge 46 and redirect the gases exiting from the exhaust nozzle 4 according to the arrows C.
  • the exhaust nozzle is still in the front area 41 by the front, non-adjustable portion 441 of the inner wall (see. FIG. 4 ) educated.
  • the extended state is determined by the FIG. 9 will be explained further.
  • FIG. 2 shows a panel 26 of the rocker arm 152, which in the FIG. 3 not shown.
  • a sliding guide 175 is provided, which connects the two walls 452, 443 movable with each other.
  • the sliding guide 175 comprises a bearing element 1752 connected to the wall 443, which is guided in a slot 1751 connected to the wall 452.
  • the adjustability of the rear portion 452 of the outer wall 45 ensures that the inner wall 44 and the outer wall 45 in each adjustment position of the exhaust nozzle, and thus to run in all flight conditions to the nozzle exit edge 46 pointed.
  • the radial distance d between the furthest spaced edges of the inner wall 44 and the outer wall 45 at the nozzle exit edge 46 is in a range between 5 mm and 30 mm, in particular in a range between 10 mm and 20 mm.
  • FIGS. 5 to 8 serve the further explanation of the in the FIGS. 1 to 4 illustrated exhaust nozzle 4.
  • the FIG. 5 additionally shows edges 151a which form the thrust reverser doors 151 with respect to those areas of the outer wall 451 which are not pivoted when the thrust reverser is extended.
  • the already explained collars 181, 182 are clearly visible.
  • the FIG. 6 additionally shows the adjustable by the adjusting ring 181 nozzle throat surface 16 and adjustable by the adjusting ring 182 nozzle exit surface 17, the dimensions of which are indicated by the arrows A1 and A2.
  • the axial adjustment range of the adjusting rings 181, 182 is indicated by the arrows B1, B2.
  • the FIG. 6 shows a position of the collars 181, 182, in which the nozzle throat surface 16 and the nozzle exit surface 17 are maximum.
  • FIG. 7 shows a position of the collars 181, 182, in which the nozzle throat surface 16 is minimal and the nozzle exit surface 17 is maximum.
  • the collars 181, 182 are set so that both the nozzle throat surface 16 and the nozzle exit surface 17 are minimal.
  • FIG. 9 shows the exhaust nozzle 4 with folded thrust reverser, wherein the thrust reverser doors 151 have been pivoted behind the trailing edge 46. From the exhaust nozzle 4 exiting gases are deflected laterally according to the arrows C to realize a thrust reverser function.
  • the front, non-adjustable region 441 of the inner wall can be seen in the outer view, since the outer wall, which is arranged in the retracted state above and forms the thrust reverser doors 151, has been pivoted away.
  • FIG. 10 shows an alternative embodiment in which unlike the FIGS. 1 to 9 the thrust reverser is designed as an internal thrust reverser 15.
  • the embodiment differs FIG. 10 from the embodiment of FIGS. 1 to 9 only in the embodiment of the thrust reverser 15.
  • the structure of the exhaust nozzle 4 as a convergent-divergent exhaust nozzle with inner wall 44 and outer wall 45, with a front, non-adjustable region 41 and a rear, adjustable range with sections 42, 43 is unchanged, so far on the remarks to the FIGS. 1 to 9 referred to, which apply accordingly.
  • the other structure of the engine is, apart from the formation of the thrust reverser 15, unchanged.
  • the thrust reverser 15 forms thrust reverser doors 160, which are rotatable about a common axis of rotation 156 which lies on the machine axis 8.
  • the thrust reverser doors 160 include portions of both the front, non-adjustable portion of the outer wall 45 and the front, non-adjustable portion of the inner wall 44.
  • the thrust reverser doors 160 are rotated about the pivot axis 156, they are rotated to block the flow channel 20, see FIG. the lower half of the representation of the FIG. 10 , so that the flow according to the arrow C is deflected laterally.
  • the thrust reverser doors 160 are additionally provided with a guide grille 155 for deflecting the flow according to the arrows C.
  • the thrust reverser doors 160 can be actuated for example by coupling rods 159.
  • the inner wall 44 is provided in the front, non-adjustable area with a sound-absorbing material.
  • FIG. 11 also shows a thrust nozzle 4 with an internal thrust reverser 15.
  • the two thrust reverser doors 160 do not rotate about a common axis of rotation, but each about its own axis of rotation 157, 158, both of which are not on the machine axis 8.
  • the adjustable portions 42, 43 there is another structure of the convergent-divergent nozzle.
  • This has at least in the adjustable portions 42, 43 a rectangular cross-section. Accordingly, it forms in the subregions 42, 43 two side walls, an upper wall and a lower wall, which are each designed to be planar, at least in the adjustment range of the adjustable subregions 42, 43. Only the upper and lower walls are adjustable. The side walls are not adjustable.
  • the upper wall has a flat upper segment 421 in the front, adjustable partial region 42 and a planar upper segment 431 in the rear, adjustable partial region 43.
  • the lower wall in the front, adjustable portion 42 a flat lower segment and in the rear adjustable portion 43 has a flat lower segment, which in the partially sectioned view of FIG.
  • the front, adjustable portion 42 and the rear, adjustable portion 43 each have a planar upper adjustable segment 421, 431 and a flat lower adjustable segment.
  • the segments 421, 431 may include the outer wall 45 of the exhaust nozzle in addition to the inner wall 44 of the exhaust nozzle.
  • the planar upper segment 421 and the corresponding planar lower segment are moved toward or away from each other in the vertical direction.
  • the planar upper segment 431 and the corresponding planar lower segment are moved towards or away from each other in the vertical direction.
  • Verstellaktuatoren 183, 184 are provided, which are formed for example as a control cylinder.
  • FIG. 12 shows an embodiment which is based on the embodiment of FIG. 10 based, but could be based on any other of the illustrated embodiments.
  • a reduction gear 150 is provided that the low-pressure shaft 82 couples with the fan 3.
  • the reduction gear is designed, for example, as a planetary gear and leads to a reduction of the fan speed by the speed of the high-speed low-pressure turbine 92 and the low-pressure shaft 82 is reduced to the multi-stage fan 3.
  • FIG. 13 shows a variant in which the nose cone 35 is designed to be adjustable in the axial direction.
  • the nose cone 35 is retracted and a position that the nose cone 35 is extended.
  • the displaceable nose cone 35 is thereby crashed over a radial structure 36, which is located axially in front of the fan rotor 3 and which in turn is supported on the engine intake 1 or on the fan housing 37.
  • the nose cone 35 is extended at high speeds, especially those above Ma 1.5.
  • the FIG. 14 shows a variant in which the mixer 12 and the outlet cone 13 are longitudinally displaceable in the axial direction.
  • the upper half of the FIG. 14 shows the mixer 12 and the outlet cone 13 in the retracted state.
  • the lower half of the FIG. 14 shows the mixer 12 and the discharge cone 13 in the extended state.
  • cylinders not shown, may be provided, which are arranged outside the low-pressure turbine 92 and can be adjusted, for example, by means of rocker arms. It is envisaged that the mixer 12 and the outlet cone 13 are fully extended at the speed of sound.
  • an adjustable nose cone 35 or an adjustable mixer 12 and outlet cone 13 can also be realized in any other embodiment.
  • FIGS. 15 and 16 show an embodiment that differs from the previously discussed embodiments in that also the rear portion of the nozzle 4, which allows adjustment of the nozzle throat surface 16 and the nozzle exit surface 17, takes part in a tilting movement upon extension of the thrust reverser 15.
  • the thrust nozzle 4 and the thrust reverser 15 comprise two rotatable thrust reverser doors 161 and two rotatable rear nozzle sections 47.
  • the eccentric 71 includes a large eccentric circle and provides a rotation axis for both thrust reverser doors 161 and both nozzle sections 47 ready.
  • the two eccentrics 72, 73 each have a smaller eccentric circle, which is located in the large eccentric circle and serve for storage in each case one of the nozzle sections 47.
  • the nozzle sections 47 can be tilted on the one hand, whereby the nozzle exit surface 17 is adjustable.
  • the nozzle sections 47 may further be moved outwardly via the respective eccentric 72, 73, whereby the nozzle throat surface 16 is adjustable.
  • both the two thrust reverser doors 161 and the two nozzle sections 47 are further pivoted about the axis provided by the eccentric 71 total, with the thrust reverser of the flow channel 20 is blocked and the hot gases are deflected according to the arrows C.
  • the two nozzle sections 47 according to the FIG. 16 can pivot, it is necessary that their exit edges are suitable to each other.
  • the exit edges 470 of the nozzle sections 47 - in the side view of FIG. 15 - At an angle ⁇ to each other.
  • the exit edges 470 come into abutment and close the flow channel 20, cf. FIG. 16 ,
  • the flow channel 20 facing surfaces of thrust reverser 15 and Verstelldüse 4 are lined with a sound-absorbing material 22.
  • the turbofan engine is designed in all embodiments of the invention such that it has a comparatively low air resistance. For this purpose, it has a circular or approximately circular cross-section. Also, it has no local thickening, which serve to accommodate an auxiliary equipment carrier or auxiliary equipment. Thus, it is provided that an auxiliary equipment carrier and corresponding auxiliary equipment are completely or at least largely outsourced from the engine and integrated into the pylon connecting the engine to the aircraft fuselage and / or the fuselage.
  • FIG. 17 shows the engine in a partially cutaway view from the front.
  • the engine nacelle 10 From the turbofan engine, the engine nacelle 10, the engine intake 1, the nose cone 35 and the front fan rotor 31 of the multi-stage fan can be seen, wherein fan blades 310 of the fan rotor 31 are shown.
  • the engine nacelle 10 has a circular cross-section.
  • the engine is connected to the fuselage 70 via a pylon 74.
  • An auxiliary equipment carrier 61 which serves to drive and support a plurality of auxiliary devices 62, is arranged and fixed in the pylon 74 and in the fuselage 70.
  • the auxiliary equipment carrier 61 supports 611 to the engine, brackets 612 in the pylon 74 and brackets 613 in the fuselage 70 on.
  • the auxiliary devices 62 are arranged in the pylon 74 and / or in the fuselage 70.
  • auxiliary equipment carrier 61 To drive the auxiliary equipment carrier 61, this is coupled in a manner known per se via a radial output shaft 53, a bevel gear 52 on the radial output shaft 53 and a bevel gear 51 with the high-pressure shaft 81 of the engine.
  • the arrangement described allows the execution of a slender, circularly symmetrical gondola with reduced air resistance.
  • the present invention is not limited in its embodiment to the embodiments described above, which are to be understood merely by way of example.
  • the type of adjustability of the adjustable convergent-divergent exhaust nozzle is only to be understood as an example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbofan-Triebwerk für ein ziviles Überschallflugzeug, das aufweist: einen Triebwerkseinlauf (1); einen mehrstufigen Fan (3), der hinter dem Triebwerkseinlauf (1) angeordnet ist; ein Kerntriebwerk, das einen Verdichter (7), eine Brennkammer (11) und eine Turbine (91, 92) umfasst; einen Primärstromkanal (6), der durch das Kerntriebwerk führt; einen Sekundärstromkanal (5), der am Kerntriebwerk vorbei führt; eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse (4), die eine Düsenhalsfläche (16) und eine Düsenaustrittsfläche (17) ausbildet, wobei zumindest die Düsenhalsfläche (16) verstellbar ist; und einen Schubumkehrer (15), der in einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich (41) der Schubdüse (4) integriert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Turbofan-Triebwerk für ein ziviles Überschallflugzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Nachdem der zivile Überschallflug mit Einstellung des Betriebs des Überschall-Passagierflugzeugs "Concorde" einen Rückschlag erlitten hatte, besteht inzwischen ein erneutes Interesse an der Entwicklung von Überschallflugzeugen für den zivilen Bereich und dementsprechend auch ein Interesse an effizienten Flugtriebwerken, die für einen Überschallbetrieb geeignet sind.
  • Das im Kampfflugzeug Tornado realisierte Triebwerk RB199 umfasst einen dreistufigen Fan und eine verstellbare Schubdüse mit Schubumkehrer. Konvergent-divergente Schubdüsen sind beispielsweise aus dem Triebwerk EJ200 des Kampfflugzeugs Eurofighter bekannt. Aus der Militärtechnik bekannte Triebwerke für einen Überschallbetrieb sind im zivilen Bereich allerdings nicht einsetzbar, da die Anforderungen beispielsweise hinsichtlich Triebwerkslärm und Verbrauch nicht ausreichend sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Turbofan-Triebwerk bereitzustellen, dass für einen Überschallbetrieb geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Turbofan-Triebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Danach stellt die Erfindung ein Turbofan-Triebwerk für ein ziviles Überschallflugzeug bereit. Dieses umfasst einen Triebwerkseinlauf, der für einen Überschallbetrieb vorgesehen und ausgelegt ist und die einströmende Luft unter Schallgeschwindigkeit verzögert. Es ist ein mehrstufiger, beispielsweise ein zweistufiger oder ein dreistufiger Fan vorgesehen, der hinter dem Triebwerkseinlauf angeordnet ist. Das Triebwerk umfasst ein Kerntriebwerk, das einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist. Es sind ein Primärstromkanal, der durch das Kerntriebwerk führt, und ein Sekundärstromkanal, der am Kerntriebwerk vorbei führt, vorgesehen.
  • Das Turbofan-Triebwerk umfasst des Weiteren eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse, die das hintere Ende des Triebwerks bildet und die eine Düsenhalsfläche und eine Düsenaustrittsfläche aufweist, wobei zumindest die Düsenhalsfläche verstellbar ist. Als Düsenhalsfläche wird dabei die engste Querschnittsfläche der Schubdüse und als Düsenaustrittsfläche die Querschnittsfläche am hinteren Ende der Schubdüse bezeichnet. Die Schubdüse weist einen vorderen, stromaufwärtigen nicht verstellbaren Bereich und einen hinteren, stromabwärtigen verstellbaren Bereich auf. Weiter ist ein Schubumkehrer vorgesehen, der in die verstellbare konvergent-divergente Schubdüse integriert ist, d.h. zumindest einige der Bestandteile des Schubumkehrers sind durch Bestandteile der Schubdüse gebildet. Dabei ist vorgesehen, dass der Schubumkehrer in den vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Schubdüse integriert ist.
  • Die Düsenaustrittfläche kann ebenfalls verstellbar sein. In vereinfachter Ausgestaltung der Erfindung kann die Düsenaustrittsfläche als nicht verstellbar ausgeführt sein.
  • Die Verwendung einer konvergent-divergenten Schubdüse ermöglicht es unter anderem, durch Veränderung der Düsenhalsfläche und damit der Konizität der Schubdüse den Wirkungsgrad des Verdichters einzustellen. Über die Veränderung der Düsenaustrittsfläche und damit der Divergenz am Düsenausgang kann die Geschwindigkeit des Gasstroms eingestellt werden. Die zusätzliche Bereitstellung eines Schubumkehrers und dessen Integration in die Schubdüse ermöglichen einen kurzen Bremsweg des Flugzeugs bei geringen Strukturlasten. Damit stellt die Erfindung insgesamt ein effizientes Triebwerk für einen Überschallbetrieb zur Verfügung.
  • Das Turbofan-Triebwerk ist beispielsweise für einen Geschwindigkeitsbereich von Ma 1,0 bis Ma 3,0, insbesondere von Ma 1,2 bis Ma 1,8 und für einen Startschubbereich von 44.482 N (10.000 lbf) bis 444.820 N (100.000 lbf), insbesondere für einen Startschubbereich von 66.723 N (15.000 lbf) bis 133.446 N (30.000 lbf) ausgelegt.
  • Der hintere, verstellbare Bereich umfasst Verstellmechanismen zur Einstellung der Düsenhalsfläche und ggf. der Düsenaustrittsfläche.
  • Die Bezeichnungen "vordere" und "hintere" sind in Bezug auf die Strömungsrichtung im Triebwerk zu verstehen. Die Bezeichnung "vordere" bedeutet somit "stromaufwärtig" und die Bezeichnung "hintere" bedeutet "stromabwärtig".
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schubdüse eine Innenwand und eine Außenwand umfasst, wobei die Innenwand dem Gasstrom zugewandt ist und den Strömungspfad durch die Schubdüse begrenzt. Die Außenwand grenzt an die Umgebung. Es ist vorgesehen, dass der vordere, stromaufwärtige nicht verstellbare Bereich der Schubdüse einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Außenwand und einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Innenwand umfasst. Der hintere, stromabwärtige verstellbare Bereich der Schubdüse umfasst einen hinteren, verstellbaren Bereich der Außenwand und einen hinteren, verstellbaren Bereich der Innenwand. Im hinteren Bereich sind somit sowohl die Innenwand als auch die Außenwand beweglich ausgebildet. Es ist weiter vorgesehen, dass der hintere, verstellbare Bereich der Innenwand einen vorderen verstellbaren Innenwandbereich und einen hinteren verstellbaren Innenwandbereich aufweist. Die Innenwand ist in ihrem hinteren, verstellbaren Bereich somit zusätzlich in zwei Bereiche unterteilt.
  • Der hintere verstellbare Innenwandbereich ist mit dem vorderen verstellbaren Innenwandbereich beispielsweise über Scharniergelenke verbunden. Der vordere verstellbare Innenwandbereich ist mit dem vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Innenwand ebenfalls beispielsweise über Scharniergelenke verbunden. Dies gilt auch für die Verbindung zwischen dem hinteren, verstellbaren Bereich der Außenwand und dem vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Außenwand.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schubdüse im vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Innenwand mit einer schallabsorbierenden Auskleidung (auch als "noise liner" bezeichnet) versehen ist. Hierdurch wird der Triebwerkslärm deutlich reduziert. Eine schallabsorbierende Auskleidung kann auch in anderen Abschnitten des Triebwerks ausgebildet sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass auch der Triebwerkseinlauf mit einer schallabsorbierenden Auskleidung versehen ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Turbofan-Triebwerk zwei unabhängig steuerbare Verstellmechanismen auf, die axial verschiebbare Ringe umfassen und dazu vorgesehen und ausgebildet sind, die Austrittsfläche des vorderen verstellbaren Innenwandbereichs (die die Düsenhalsfläche bildet) und die Austrittsfläche des hinteren verstellbaren Innenwandbereichs (die die Düsenaustrittsfläche bildet), zu verstellen. Die Verstellung des vorderen und hinteren verstellbaren Innenwandbereichs mittels verschiebbarer Ringe ist dabei nur beispielhaft zu verstehen. Alternativ kann die Verstellung über andere Verstellaktuatoren, beispielsweise in Form von Kolben oder dergleichen erfolgen.
  • Zur Ausbildung des vorderen verstellbaren Innenwandbereichs, des hinteren verstellbaren Innenwandbereichs und des verstellbaren Bereichs der Außenwand kann vorgesehen sein, dass diese jeweils aus einer Vielzahl über den Umfang verteilter Segmente bestehen. Beispielsweise sind hierfür jeweils zwischen 4 bis 20, insbesondere 8 bis 16 über den Umfang verteilte Segmente vorgesehen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung laufen die Innenwand und die Außenwand der Schubdüse an der Düsenaustrittskante spitz aufeinander zu. Hierdurch wird eine Verwirbelung der Strömung an der Austrittskante verhindert oder zumindest reduziert.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass die Innenwand und die Außenwand der Schubdüse durch Führungselemente, beispielsweise eine Rollenführung oder eine Schiebeführung miteinander verbunden sind, wobei die Führungselemente sicherstellen, dass die Innenwand und die Außenwand in jeder Verstellposition der Schubdüse zur Austrittskante hin spitz zulaufen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der hintere verstellbare Innenwandbereich und der hintere verstellbare Bereich der Außenwand über Führungselemente miteinander verbunden sind.
  • Damit die Düsenaustrittskante spitz zulaufend ausgebildet ist, ist beispielsweise vorgesehen, dass die Innenwand und die Außenwand der Schubdüse an der Düsenaustrittskante einen geringen radialen Abstand aufweisen, der im Bereich zwischen 5 mm und 30 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 20 mm liegt.
  • Der in die Schubdüse integrierte Schubumkehrer ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als außenliegender Schubumkehrer ausgebildet, d.h. er verschwenkt im Falle der Betätigung in eine Position hinter der Schubdüse. Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass der Schubumkehrer verschwenkbare Schubumkehrertüren aufweist, die durch den vorderen, nicht verstellbaren Bereich der Außenwand gebildet sind. Der vordere, nicht verstellbare Bereich der Innenwand bleibt dabei am Ort und wird nicht verschwenkt, d.h. die Innenwand der Schubdüse wird durch das Betätigen des Schubumkehrers nicht verstellt.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist der in die Schubdüse integrierte Schubumkehrer als innenliegender Schubumkehrer ausgebildet, wobei die Strömung seitlich, d.h. nach oben und unten aus der Schubdüse geleitet wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Schubumkehrer drehbare Schubumkehrertüren aufweist, die durch die Innenwand und die Außenwand des vorderen, nicht verstellbaren Bereichs der Schubdüse gebildet sind. Nach Drehen der Schubumkehrertüren wird der Gasstrom somit in der Schubdüse nach außen umgelenkt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist die Schubdüse zumindest in ihrem verstellbaren Bereich im Querschnitt rechteckig ausgebildet und bildet dementsprechend zwei Seitenwände, eine obere Wand und eine untere Wand aus, die jeweils eben ausgebildet sind. Es ist vorgesehen, dass nur die obere und die untere Wand verstellbar sind. Die Schubdüse ist in ihrem hinteren, verstellbaren Bereich auch bei diesem Ausführungsbeispiel in zwei Teilbereiche unterteilt, einen vorderen und einen hinteren verstellbaren Teilbereich, d.h. die obere Wand besteht aus zwei oberen ebenen Segmenten, die jeweils verstellbar sind, und die untere Wand besteht aus zwei unteren ebenen Segmenten, die jeweils verstellbar sind. Die Segmente können dabei neben der Innenwand der Schubdüse auch die Außenwand der Schubdüse umfassen. Bei einer Verstellung werden das obere und untere Segment des vorderen verstellbaren Bereichs und/oder das obere und untere Segment des hinteren verstellbaren Bereichs in der vertikalen Richtung aufeinander zu oder voreinander weg bewegt. Diese Ausgestaltung besitzt einen besonders einfachen Aufbau, da es für eine Verstellung lediglich ebene Segmente verstellt werden müssen. Die vertikale Richtung bezieht sich dabei auf die Ausrichtung, in der das Triebwerk am Flugzeug angebracht ist.
  • Alternativ können die ebenen verstellbaren Flächen an ihren Seiten zu den feststehenden Wänden gerundet sein. Weiterhin können die Ober- und Unterkante der Düsenaustrittsfläche nach oben bzw. nach unten gekrümmt ausgeführt werden, so dass die Düsenaustrittsfläche von einem rechteckigen Querschnitt abweichen kann. Dadurch kann eine bessere äußere Umströmung der Schubdüse erreicht werden.
  • Das Turbofan-Triebwerk umfasst einen mehrstufigen Fan. Dieser ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung derart ausgebildet, dass er zur Lärmreduktion große axiale Abstände zwischen den Fanrotor-Schaufeln und den Fanstator-Schaufeln aufweist. Jede Fanstufe des mehrstufigen Fans weist einen Fanrotor und eine Fanstator auf. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass für mindestens einen Fanrotor oder Fanstator gilt, dass in der radialen Strömungsmitte der axiale Abstand zwischen den Schaufeln eines Fanrotors oder Fanstators und den Schaufeln des in Strömungsrichtung unmittelbar stromaufwärts angeordneten Fanstators oder Fanrotors zwischen 60% und 150%, insbesondere zwischen 80% und 130% der axialen Länge der Schaufeln des stromaufwärts angeordneten Fanstators oder Fanrotors beträgt.
  • Dies bedeutet bei einem zweistufigen Fan, dass in der radialen Strömungsmitte der axiale Abstand zwischen den Schaufeln des Fanstators der ersten Stufe zu den Schaufeln des Fanrotors der ersten Stufe zwischen 60% und 150%, insbesondere zwischen 80% und 130% der axialen Länge der Schaufeln des Fanrotors beträgt, und/oder dass der axiale Abstand zwischen den Schaufeln der Fanrotors der zweiten Stufe zu den Schaufeln des Fanstators der ersten Stufe zwischen 60% und 150%, insbesondere zwischen 80% und 130% der axialen Länge der Schaufeln des Fanstators der ersten Stufe beträgt.
  • Um eine bessere Strömung von der ersten Fanstufe zur zweiten Fanstufe zu erreichen, befindet sich in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Blattspitze an der Einlaufkante (d.h. der axial vorderen Kante) der zweiten Rotorstufe des Fans bezogen auf die Maschinenachse zwischen 2% bis 10%, insbesondere zwischen 3% bis 6% radial weiter innen als die Blattspitze an der Einlaufkante der ersten Rotorstufe des Fans.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Statorschaufeln des Fans um ihre radiale Achse drehbar sind.
  • Zur Reduzierung des Luftwiderstands der Triebwerksgondel sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Turbofan-Triebwerk in einer Triebwerks-Gondel mit kreisförmigem oder näherungsweise kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist, wobei die Triebwerks-Gondel keine lokalen Verdickungen für Getriebe und/oder Nebenaggregate aufweist. Ein näherungsweise kreisförmiger Querschnitt liegt dabei dann vor, wenn der Radius entlang des Umfangs um nicht mehr als 10 % seines maximalen Wertes variiert. Die Erfindung sieht gemäß dieser Ausführungsvariante somit eine schlanke Triebwerksgondel ohne lokale Verdickungen vor.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Antriebsstrang zwischen einer Niederdruckturbine des Triebwerks und dem Fan ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen ist, um die Drehzahl von einer schnelllaufenden Niederdruckturbine auf den mehrstufigen Fan zu untersetzen. Das Untersetzungsgetriebe ist beispielsweise als Planetengetriebe ausgebildet.
  • Weiter kann vorgesehen sein, dass ein stromaufwärts des Fans angeordneter Nasenkonus in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet ist. Der axial verschiebbare Nasenkonus wird beispielsweise über eine axial vor dem Fanrotor befindliche Struktur, die am Fangehäuse oder dem Triebwerkseinlauf abgestützt ist, gehalten. Durch die Verschiebbarkeit des Nasenkonus kann der Triebwerkseinlauf an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden. Beispielsweise kann ein vollständiges Ausfahren des Nasenkonus bei höheren Geschwindigkeiten ab etwa Ma 1,5 vorgesehen sein.
  • Das Turbofan-Triebwerk weist einen hinter dem Kerntriebwerk angeordneten Mischer auf, der Luft des Primärstromkanals und Luft des Sekundärstromkanals mischt. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Mischer und/oder ein Austrittskonus des Triebwerks axial verschiebbar ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine Verschiebbarkeit über Stellzylinder vorgesehen sein, die außerhalb der Niederdruckturbine oder außerhalb des Nebenstromgehäuses angeordnet und beispielsweise über Kipphebel betätigbar sind. Dabei ist vorgesehen, dass bei Schallgeschwindigkeit der Mischer und/oder der Austrittskonus voll ausgefahren sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein ziviles Überschallflugzeug mit einem Turbofan-Triebwerk gemäß Anspruch 1.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Hilfsgeräteträger des Turbofan-Triebwerks und/oder die von dem Hilfsgeräteträger angetriebenen Hilfsgeräte zumindest teilweise in einem Pylon und/oder im Flugzeugrumpf montiert sind. Die Verlagerung des Hilfsgeräteträgers und/oder der Hilfsgeräte aus dem Triebwerk heraus in den Pylon und/oder den Flugzeugrumpf ermöglicht eine schlanke Gondel mit geringem Luftwiderstand.
  • In einem weiteren Erfindungsaspekt stellt die Erfindung ein Turbofan-Triebwerk für ein ziviles Überschallflugzeug bereit, das aufweist:
    • einen Triebwerkseinlauf, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, im Überschallflug die einströmende Luft auf Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit zu verzögern,
    • einen mehrstufigen Fan, der hinter dem Triebwerkseinlauf angeordnet ist,
    • ein Kerntriebwerk, das einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine umfasst,
    • einen Primärstromkanal, der durch das Kerntriebwerk führt,
    • einen Sekundärstromkanal, der am Kerntriebwerk vorbei führt,
    • eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse, die eine Düsenhalsfläche und eine Düsenaustrittsfläche ausbildet, wobei zumindest die Düsenhalsfläche verstellbar ist, und
    • einen Schubumkehrer, der in die verstellbare konvergent-divergente Schubdüse integriert ist,
    • wobei die Schubdüse mit integriertem Schubumkehrer zwei vordere Schubumkehrertüren und zwei hintere Düsenabschnitte aufweist, die mit einem Verstellmechanismus zur Einstellung der Düsenhalsfläche und der Düsenaustrittsfläche versehen sind, wobei für ein Ausfahren des Schubumkehrers die Schubumkehrertüren zusammen mit den hinteren Düsenabschnitten gemeinsam verschwenkbar sind.
  • Dieser Erfindungsaspekt sieht somit vor, dass bei Auslösen des Schubumkehrers nicht nur bestimmte in der Schubdüse ausgebildete Türen verschwenken oder rotieren (während andere Bereiche der Schubdüse von einer solchen Bewegung nicht tangiert sind), sondern dass die Schubdüse in einem solchen Fall insgesamt für ein Umlenken der Strömung verschwenkt wird. Hierzu ist vorgesehen, dass die Schubdüse mit integriertem Schubumkehrer zwei vordere Schubumkehrertüren und zwei hintere Düsenabschnitte aufweist, die mit einem Verstellmechanismus zur Einstellung der Düsenhalsfläche und der Düsenaustrittsfläche versehen sind, wobei für ein Ausfahren des Schubumkehrers die Schubumkehrertüren zusammen mit den hinteren Düsenabschnitten gemeinsam verschwenkbar sind.
  • Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass der Verstellmechanismus zum Verstellen der Düsenhalsfläche und der Düsenaustrittsfläche mindestens einen Exzenter umfasst, der auf der gemeinsamen Drehachse der Schubumkehrertüren und der hinteren Düsenabschnitte gelagert ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Turbofan-Triebwerks, das einen außenliegenden, in eine Schubdüse integrierten Schubumkehrer aufweist;
    Figur 2
    eine vergrößerte Darstellung der Schubdüse der Figur 1;
    Figur 3
    die Schubdüse der Figur 2 ohne äußere Verkleidungselemente;
    Figur 4
    die Schubdüse der Figur 2 in einer teilweise geschnittenen Ansicht;
    Figur 4a
    eine vergrößerte Darstellung der Düsenaustrittskante der Schubdüse der Figur 2, die durch eine Innenwand und eine Außenwand der Schubdüse gebildet ist, die zur Düsenaustrittskante hin spitz zusammenlaufen;
    Figur 5
    die Schubdüse der Figur 2 in einer weiteren Darstellung, die den Verstellmechanismus zur Verstellung der Schubdüse zeigt;
    Figur 6
    die Schubdüse der Figur 2 in einer weiteren Darstellung, in der die Düsenhalsfläche maximal und die Düsenaustrittsfläche ebenfalls maximal ist;
    Figur 7
    die Schubdüse der Figur 2 in einer weiteren Darstellung, in der die Düsenhalsfläche minimal und die Düsenaustrittsfläche maximal ist;
    Figur 8
    die Schubdüse der Figur 2 in einer weiteren Darstellung, der die Düsenhalsfläche minimal und die Düsenaustrittsfläche ebenfalls minimal ist;
    Figur 9
    die Schubdüse der Figur 2 nach Auslösen des in die Schubdüse integrierten Schubumkehrers;
    Figur 10
    ein Ausführungsbeispiel eines Turbofan-Triebwerks, das einen innenliegenden, in die Schubdüse integrierten Schubumkehrer aufweist;
    Figur 11
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turbofan-Triebwerks, das einen innenliegenden, in die Schubdüse integrierten Schubumkehrer aufweist, wobei die Schubdüse ebene, in der vertikalen Richtung verstellbare Segmente aufweist;
    Figur 12
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turbofan-Triebwerks mit Schubdüse und darin integriertem Schubumkehrer, wobei das Turbofan-Triebwerk ein Untersetzungsgetriebe zur Reduktion der Fandrehzahl aufweist;
    Figur 13
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turbofan-Triebwerks mit Schubdüse und darin integriertem Schubumkehrer, wobei das Turbofan-Triebwerk einen in axialer Richtung verstellbaren Nasenkonus aufweist;
    Figur 14
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turbofan-Triebwerks mit Schubdüse und darin integriertem Schubumkehrer, wobei das Turbofan-Triebwerk einen in axialer Richtung verschiebbaren Mischer und/oder einen in axialer Richtung verschiebbaren Austrittskonus aufweist;
    Figur 15
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Turbofan-Triebwerks mit Schubdüse und darin integriertem Schubumkehrer, wobei ein Verstellmechanismus vorgesehen ist, der einen auf dem Drehpunkt der Schubumkehrertüren gelagerten Exzenter umfasst;
    Figur 16
    das Turbofan-Triebwerk der Figur 15 bei geöffnetem Schubumkehrer; und
    Figur 17
    in schematischer, teilweise geschnittener Ansicht von vorne die Befestigung eines Turbofan-Triebwerks an einem Flugzeugrumpf.
  • Die Figur 1 zeigt ein Turbofan-Triebwerk für ein ziviles Überschallflugzeug. Das Turbofan-Triebwerk umfasst einen Triebwerkseinlauf 1, einen mehrstufigen Fan 3, einen Primärstromkanal 6, der durch ein Kerntriebwerk führt, einen Sekundärstromkanal 5, der an dem Kerntriebwerk vorbei führt, einen Mischer 12 und eine konvergent-divergente Schubdüse 4, in die ein Schubumkehrer 15 integriert ist.
  • Das Turbofan-Triebwerk besitzt eine Maschinenachse oder Triebwerksmittellinie 8. Die Maschinenachse 8 definiert eine axiale Richtung des Turbofan-Triebwerks. Eine radiale Richtung des Turbofan-Triebwerks verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
  • Das Kerntriebwerk weist in an sich bekannter Weise einen Verdichter 7, eine Brennkammer 11 und eine Turbine 91, 92 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Verdichter einen Hochdruckverdichter 7. Ein Niederdruckverdichter ist durch die nabennahen Bereiche des mehrstufigen Fanrotors 3 gebildet. Die hinter der Brennkammer 11 angeordnete Turbine umfasst eine Hochdruckturbine 91 und eine Niederdruckturbine 92. Die Hochdruckturbine 91 treibt eine Hochdruckwelle 81 an, die die Hochdruckturbine 91 mit dem Hochdruckverdichter 7 verbindet. Die Niederdruckturbine 92 treibt eine Niederdruckwelle 82 an, die die Niederdruckturbine 92 mit dem mehrstufigen Fan 3 verbindet.
  • Das Turbofan-Triebwerk ist in einer Triebwerksgondel 10 angeordnet. Diese ist beispielsweise über einen Pylon mit dem Flugzeugrumpf verbunden.
  • Der Triebwerkseinlauf 1 bildet einen Überschall-Lufteinlauf und ist dementsprechend dafür vorgesehen und geeignet, die einströmende Luft auf Geschwindigkeiten unterhalb Ma 1,0 (Ma = Mach-Zahl) zu verzögern. Der Triebwerkseinlauf ist in der Figur 1, jedoch nicht notwendigerweise, unter Ausbildung eines Winkels α angeschrägt, wobei der untere Rand gegenüber dem oberen Rand vorsteht. Dies dient dazu, im Überschallflug auftretende Verdichtungsstöße besser nach oben zu verteilen. Grundsätzlich kann der Triebwerkseinlauf jedoch auch gerade, d.h. mit einem Winkel α von 90°, oder mit einem anderen Winkel ausgebildet sein.
  • Der Triebwerkseinlauf 1 weist eine Innenverkleidung mit einem schallabsorbierenden Material 21 auf. Dies dient einer Reduktion des Triebwerklärms.
  • Der Fan 3 ist als mehrstufiger Fan ausgebildet, im dargestellten Ausführungsbeispiel als zweistufiger Fan. Dementsprechend umfasst der mehrstufige Fan 3 einen Fanrotor 31 und einen Fanstator 32, die eine erste, vordere Fanstufe bilden, sowie einen Fanrotor 33 und einen Fanstator 34a, 34b, die eine zweite, hintere Fanstufe bilden. Stromaufwärts ist der Fan 3 mit einem Nasenkonus 35 versehen. Die Fanrotoren 31, 33 umfassen jeweils eine Mehrzahl von Rotorschaufeln. Der Fanstator 32 der vorderen Fanstufe umfasst eine Mehrzahl von Statorschaufeln, die in einem schematisch dargestellten Fangehäuse 37 gelagert sind. Der Fanstator der hinteren Fanstufe ist radial gesplittet und wird durch ein Leitgitter 34a, das am Eingang des Primärstromkanals 6 ausgebildet ist, und ein Leitgitter 34b gebildet, das am Eingang des Sekundärstromkanals 5 ausgebildet ist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Fanrotoren 31, 33 in BLISK-Bauweise ausgebildet und fest miteinander verbunden sind.
  • Der Strömungskanal durch den Fan 3 teilt sich hinter dem Fanrotor 33 in den Primärstromkanal 6 und den Sekundärstromkanal 5 auf. Beide Fanrotoren 31, 33 befinden sich somit stromaufwärts der Aufteilung des Strömungskanals in den Primärstromkanal 6 und den Sekundärstromkanal 5. Der Sekundärstromkanal 5 wird auch als Nebenstromkanal oder Bypass-Kanal bezeichnet.
  • Hinter dem Kerntriebwerk werden der Primärstrom im Primärstromkanal 6 und der Sekundärstrom im Sekundärstromkanal 5 durch den Mischer 12 vermischt. Weiter ist hinter der Turbine ein Austrittskonus 13 angebracht, um gewünschte Querschnitte des Strömungskanals zu realisieren.
  • Der hintere Bereich des Turbofan-Triebwerks wird durch eine Schubdüse 4 gebildet, in die ein Schubumkehrer 15 integriert ist. Die Schubdüse 4 weist einen vorderen nicht verstellbaren Bereich 41 und einen hinteren verstellbaren Bereich 42, 43 auf, wobei der hintere verstellbare Bereich sich wiederum in einen vorderen verstellbaren Teilbereich 42 und einen hinteren verstellbaren Teilbereich 43 unterteilt.
  • Strukturell wird die Schubdüse durch eine Innenwand 44 und eine Außenwand 45 gebildet. Dabei bildet die Innenwand 44 die Berandung des Strömungskanals 20 in der Schubdüse 4. Die Außenwand 45 ist radial außen zur Innenwand 44 ausgebildet und grenzt an die Umgebung an. Die Innenwand 44 und die Außenwand 45 laufen stromabwärts spitz aufeinander zu und bilden an ihrem stromabwärtigen Ende eine Düsenaustrittskante 46, wie anhand der Figur 4a noch erläutert werden wird.
  • Die folgende Erläuterung nimmt zusätzlich Bezug auf die Figuren 2 bis 4, die die Schubdüse 4 der Figur 1 in vergrößerter Darstellung und in verschiedenen Ansichten zeigen. Der vordere, nicht verstellbaren Bereich 41 der Schubdüse 4 umfasst einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich 451 der Außenwand 45 und einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich 441 der Innenwand 41 (vgl. Figur 4). Der hintere verstellbare Bereich 42, 43 der Schubdüse 4 umfasst einen hinteren, verstellbaren Bereich 452 der Außenwand 45 und einen hinteren, verstellbaren Bereich 442, 443 der Innenwand 44, wobei der hintere, verstellbare Bereich der Innenwand einen vorderen verstellbaren Innenwandbereich 442 und einen hinteren verstellbaren Innenwandbereich 443 aufweist (vgl. Figur 4). Dabei ist der Innenwandbereich 442 im Bereich 42 und der Innenwandbereich 443 im Bereich 43 der Schubdüse 4 ausgebildet.
  • Der hintere verstellbare Innenwandbereich 443 ist mit dem vorderen verstellbaren Innenwandbereich 442 über Scharniergelenke 173 verbunden. Der vordere verstellbare Innenwandbereich 442 ist mit dem vorderen, nicht verstellbaren Bereich 441 der Innenwand 44 über Scharniergelenke 171 verbunden. Ebenso ist der hintere, verstellbaren Bereich 452 der Außenwand 45 und dem vorderen, nicht verstellbaren Bereich 451 der Außenwand 45 über Scharniergelenke 172 verbunden.
  • Wie in der Figur 1 und insbesondere der Figur 4 dargestellt, ist die Innenwand 44 im vorderen, nicht verstellbaren Bereich 441 mit einer schallabsorbierenden Auskleidung 22 versehen, die einer Lärmreduktion dient.
  • Die konvergent-divergente Schubdüse 4 weist eine verstellbare Düsenhalsfläche 16 und eine verstellbare Düsenaustrittsfläche 17 auf. Die Düsenhalsfläche 16 stellt die engste Querschnittsfläche des Strömungskanals durch die Schubdüse 4 dar. Sie ist am hinteren Ende des Bereichs 42 der Schubdüse 4 realisiert. Die Düsenaustrittsfläche 17 gibt die Querschnittsfläche am Düsenaustritt, d.h. an der Düsenaustrittskante 46 an.
  • Zur Verstellung der Düsenhalsfläche 16 und der Düsenaustrittsfläche 17 sind zwei unabhängig steuerbare Verstellmechanismen vorgesehen, die jeweils einen axial verschiebbaren Ring 181, 182 und eine Mehrzahl von Scharnieren aufweisen. Wie insbesondere in der Figur 4 dargestellt ist, ist ein vorderer Stellring 181 vorgesehen, der über Kipphebel 24 mit den Scharniergelenken 173 gekoppelt ist. Durch axiales Verschieben des Stellrings 181 kann die Düsenhalsfläche 16 verstellt werden. In entsprechender Weise ist ein hinterer Stellring 182 vorgesehen, der über Kipphebel 25 mit Scharniergelenken 174 gekoppelt ist. Durch axiales Verschieben des Stellrings 182 kann die Düsenaustrittsfläche 17 verstellt werden.
  • Der Figur 4 ist weiter zu entnehmen, dass der vordere verstellbare Innenwandbereich 442, der hintere verstellbare Innenwandbereich 443 und der verstellbare Bereich 452 der Außenwand 45 jeweils aus einer Vielzahl über den Umfang verteilter Segmente 420, 430, 425 besteht. Beispielsweise sind jeweils zwischen 4 und 20, insbesondere zwischen 8 und 16 über den Umfang verteilte Segmente 420, 430, 425 vorgesehen. Die Segmente 425 des hinteren Bereichs 452 der Außenwand 45 sind auch in der unteren Hälfte der Figur 1 gezeigt, in der das Triebwerk nicht geschnitten dargestellt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in die Schubdüse 4 der Schubumkehrer 15 integriert. Der Schubumkehrer 15 umfasst zwei Schubumkehrertüren 151, die durch Abschnitte im vorderen, nicht verstellbaren Bereich 451 der Außenwand 45 ausgebildet sind. Der Schubumkehrer 15 ist in den Figuren 1 bis 4 im eingefahrenen Zustand dargestellt. Für ein Verschwenken der Schubumkehrertüren 151 sind Kipphebel 152 vorgesehen, die an Drehpunkten 153, 154 an den Schubumkehrertüren 151 und an der Schubdüse 4 gelagert sind, vgl. Figuren 1 und 3. Im ausgefahrenen Zustand, vgl. Figur 1, werden die Schubumkehrertüren 151 hinter die Düsenaustrittskante 46 geklappt und lenken die aus der Schubdüse 4 austretenden Gase entsprechend der Pfeile C um. Die Schubdüse wird dabei weiterhin im vorderen Bereich 41 durch den vorderen, nicht verstellbaren Bereich 441 der Innenwand (vgl. Figur 4) gebildet. Der ausgefahrene Zustand wird anhand der Figur 9 weitergehend erläutert werden.
  • Zur Figur 2 wird noch darauf hingewiesen, dass diese eine Verkleidung 26 der Kipphebel 152 zeigt, die in der Figur 3 nicht dargestellt ist.
  • Anhand der Figur 4a wird im Folgenden die Ausbildung der Düsenaustrittskante 46 beschrieben. An der Düsenaustrittskante 46 laufen die Innenwand 44 an ihrem hinteren verstellbaren Innenbereich 443 und die Außenwand 45 an ihrem hinteren verstellbaren Bereich 452 spitz zu. Dabei ist eine Schiebeführung 175 vorgesehen, die die beiden Wände 452, 443 beweglich miteinander verbindet. Die Schiebeführung 175 umfasst ein mit der Wand 443 verbundenes Lagerelement 1752, dass in einem mit der Wand 452 verbundenen Langloch 1751 geführt wird. Durch die Verstellbarkeit des hinteren Bereichs 452 der Außenwand 45 wird sichergestellt, dass die Innenwand 44 und die Außenwand 45 in jeder Verstellposition der Schubdüse, und damit bei allen Flugbedingungen zur Düsenaustrittskante 46 spitz zu laufen. Der radiale Abstand d zwischen den am weitesten beabstandeten Kanten der Innenwand 44 und der Außenwand 45 an der Düsenaustrittskante 46 liegt dabei in einem Bereich zwischen 5 mm und 30 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 10 mm und 20 mm.
  • Durch Bereitstellung einer spitz zulaufenden Düsenaustrittskante 46 bei jeder Flugbedingung wird eine Verwirbelung der Strömung an der Düsenaustrittskante 46 weitgehend verhindert.
  • Die Figuren 5 bis 8 dienen der weitergehenden Erläuterung der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Schubdüse 4. Die Figur 5 zeigt zusätzlich Ränder 151 a, die die Schubumkehrertüren 151 gegenüber solchen Bereichen der Außenwand 451 ausbilden, die nicht bei einem Ausfahren des Schubumkehrers verschwenkt werden. Weiter sind die bereits erläuterten Stellringe 181, 182 gut zu erkennen. Die Figur 6 zeigt zusätzlich die durch den Stellring 181 verstellbare Düsenhalsfläche 16 und die durch den Stellring 182 verstellbare Düsenaustrittsfläche 17, wobei deren Ausmaße durch die Pfeile A1 und A2 angegeben werden. Der axiale Verstellbereich der Stellringe 181, 182 wird durch die Pfeile B1, B2 angegeben. Die Figur 6 zeigt dabei eine Stellung der Stellringe 181, 182, bei der die Düsenhalsfläche 16 und die Düsenaustrittsfläche 17 maximal sind.
  • In der Darstellung der Figur 7 sind zusätzlich zwei Stellzylinder 281, 282 zum Einstellen des vorderen Stellring 181 und zum Einstellen des hinteren Stellring 182 dargestellt. Die Figur 7 zeigt dabei eine Stellung der Stellringe 181, 182, bei der die Düsenhalsfläche 16 minimal und die Düsenaustrittsfläche 17 maximal sind. Bei der Figur 8 sind die Stellringe 181, 182 derart eingestellt, dass sowohl die Düsenhalsfläche 16 als auch die Düsenaustrittsfläche 17 minimal sind.
  • Die Figur 9 zeigt die Schubdüse 4 mit ausgeklapptem Schubumkehrer, wobei die Schubumkehrertüren 151 hinter die Austrittskante 46 verschwenkt worden sind. Aus der Schubdüse 4 austretende Gase werden entsprechend den Pfeilen C zur Realisierung einer Schubumkehrerfunktion seitlich umgelenkt.
  • Im aktivierten Zustand ist in der Außenansicht der vordere, nicht verstellbare Bereich 441 der Innenwand zu erkennen, da die im eingefahrenen Zustand darüber angeordnete Außenwand, die die Schubumkehrertüren 151 bildet, weggeschwenkt worden ist.
  • Die Figur 10 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem anders als bei den Figuren 1 bis 9 der Schubumkehrer als innenliegender Schubumkehrer 15 ausgebildet ist. Dabei unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der Figur 10 vom Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 9 nur in der Ausgestaltung des Schubumkehrers 15. Der Aufbau der Schubdüse 4 als konvergent-divergente Schubdüse mit Innenwand 44 und Außenwand 45, mit einem vorderen, nicht verstellbaren Bereich 41 und einem hinteren, verstellbaren Bereich mit Teilbereichen 42, 43 ist unverändert, so dass insofern auf die Ausführungen zu den Figuren 1 bis 9 verwiesen wird, die in entsprechender Weise gelten. Auch der sonstige Aufbau des Triebwerks ist, abgesehen von der Ausbildung des Schubumkehrers 15, unverändert.
  • Beim Ausführungsbeispiel der Figur 10 bildet der Schubumkehrer 15 Schubumkehrertüren 160 aus, die um eine gemeinsame Drehachse 156 drehbar sind, die auf der Maschinenachse 8 liegt. Die Schubumkehrertüren 160 umfassen dabei Abschnitte sowohl des vorderen, nicht verstellbaren Bereichs der Außenwand 45 und des vorderen, nicht verstellbaren Bereichs der Innenwand 44. Bei Drehen der Schubumkehrertüren 160 um den Drehachse 156 werden diese derart gedreht, dass sie den Strömungskanal 20 blockieren, vgl. die untere Hälfte der Darstellung der Figur 10, so dass die Strömung gemäß dem Pfeil C seitlich umgelenkt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schubumkehrertüren 160 zusätzlich mit einem Leitgitter 155 zum Umlenken der Strömung gemäß den Pfeilen C versehen sind. Die Schubumkehrertüren 160 können dabei beispielsweise durch Koppelstangen 159 betätigt werden.
  • Die Innenwand 44 ist im vorderen, nicht verstellbaren Bereich mit einem schallabsorbierenden Material versehen.
  • Das Ausführungsbeispiel der Figur 11 zeigt ebenfalls eine Schubdüse 4 mit einem innenliegenden Schubumkehrer 15. Es bestehen zwei Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der Figur 10. Zum einen rotieren die beiden Schubumkehrertüren 160 nicht um eine gemeinsame Drehachse, sondern jeweils um eine eigene Drehachse 157, 158, die beide nicht auf der Maschinenachse 8 liegen.
  • Zum anderen liegt ein anderer Aufbau der konvergent-divergenten Düse vor. Diese weist zumindest in den verstellbaren Teilbereichen 42, 43 einen rechteckigen Querschnitt auf. Dementsprechend bildet sie in den Teilbereichen 42, 43 zwei Seitenwände, eine obere Wand und eine untere Wand aus, die zumindest im Verstellbereich der verstellbaren Teilbereiche 42, 43 jeweils plan ausgebildet sind. Nur die obere und die untere Wand sind verstellbar. Die Seitenwände sind nicht verstellbar. Die obere Wand weist im vorderen, verstellbaren Teilbereich 42 ein ebenes oberes Segment 421 und im hinteren, verstellbaren Teilbereich 43 ein ebenes oberes Segment 431 auf. In entsprechender Weise weist die untere Wand im vorderen, verstellbaren Teilbereich 42 ein ebenes unteres Segment und im hinteren verstellbaren Teilbereich 43 ein ebenes unteres Segment auf, die in der teilweise geschnittenen Ansicht der Figur 11 nicht zu sehen sind. Somit weisen der vordere, verstellbare Teilbereich 42 und der hintere, verstellbare Teilbereich 43 jeweils ein ebenes oberes verstellbares Segment 421, 431 und ein ebenes unteres verstellbares Segment auf. Die Segmente 421, 431 können dabei neben der Innenwand 44 der Schubdüse auch die Außenwand 45 der Schubdüse umfassen.
  • Für eine Verstellung der Düsenhalsfläche 16 werden das ebene obere Segment 421 und das entsprechende ebene untere Segment in der vertikalen Richtung aufeinander zu oder voreinander weg bewegt. Für eine Verstellung der Düsenaustrittsfläche 17 werden das ebene obere Segment 431 und das entsprechende ebene untere Segment in der vertikalen Richtung aufeinander zu oder voreinander weg bewegt. Hierfür sind Verstellaktuatoren 183, 184 vorgesehen, die beispielsweise als Stellzylinder ausgebildet sind.
  • Die Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das auf dem Ausführungsbeispiel der Figur 10 basiert, jedoch auch auf jedem anderen der dargestellten Ausführungsbeispiele basieren könnte. Bei der Figur 12 ist zusätzlich ein Untersetzungsgetriebe 150 vorgesehen, dass die Niederdruckwelle 82 mit dem Fan 3 koppelt. Das Untersetzungsgetriebe ist beispielsweise als Planetengetriebe ausgeführt und führt zu einer Reduktion der Fandrehzahl, indem die Drehzahl der schnelllaufenden Niederdruckturbine 92 bzw. der Niederdruckwelle 82 auf den mehrstufigen Fan 3 untersetzt wird.
  • Die Figur 13 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der der Nasenkonus 35 in axialer Richtung verstellbar ausgebildet ist. In der Figur 13 sind dabei zwei unterschiedliche axiale Positionen dargestellt, eine Position, in der der Nasenkonus 35 eingefahren ist und eine Position, der der Nasenkonus 35 ausgefahren ist. Der verschiebbare Nasenkonus 35 wird dabei über eine radiale Struktur 36 abgestürzt, die sich axial vor dem Fanrotor 3 befindet und die sich ihrerseits am Triebwerkseinlauf 1 oder am Fangehäuse 37 abstützt. Der Nasenkonus 35 wird bei hohen Geschwindigkeiten, insbesondere solchen über Ma 1,5 ausgefahren.
  • Die Figur 14 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der der Mischer 12 und der Austrittskonus 13 in axialer Richtung längsverschiebbar sind. Die obere Hälfte der Figur 14 zeigt den Mischer 12 und den Austrittskonus 13 im eingefahrenen Zustand. Die untere Hälfte der Figur 14 zeigt den Mischer 12 und den Austrittskonus 13 im ausgefahrenen Zustand. Zum Verfahren dieser Komponenten können beispielsweise nicht dargestellte Zylinder vorgesehen sein, die außerhalb der Niederdruckturbine 92 angeordnet und beispielsweise mittels Kipphebeln verstellbar sind. Es ist vorgesehen, dass der Mischer 12 und der Austrittskonus 13 bei Schallgeschwindigkeit vollständig ausgefahren sind.
  • Die Ausführungsbeispiele der Figuren 13 und 14 basieren ebenfalls auf dem Ausführungsbeispiel der Figur 10. Ein verstellbarer Nasenkonus 35 bzw. ein verstellbarer Mischer 12 und Austrittskonus 13 können jedoch auch bei jedem anderen Ausführungsbeispiel realisiert sein.
  • Die Figuren 15 und 16 zeigen ein Ausführungsbeispiel, das sich von den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, das auch der hintere Bereich der Düse 4, der eine Einstellung der Düsenhalsfläche 16 und der Düsenaustrittsfläche 17 ermöglicht, an einer Kippbewegung bei Ausfahren des Schubumkehrers 15 teilnimmt.
  • Die Schubdüse 4 bzw. der Schubumkehrer 15 umfassen zwei drehbare Schubumkehrertüren 161 und zwei drehbare hintere Düsenabschnitte 47. Die Lagerung dieser Teile erfolgt über drei Exzenter 71, 72, 73. Der Exzenter 71 umfasst einen großen Exzenterkreis und stellt eine Drehachse für beide Schubumkehrertüren 161 und beide Düsenabschnitte 47 bereit. Die beiden Exzenter 72, 73 besitzen jeweils einen kleineren Exzenterkreis, der in dem großen Exzenterkreis liegt und dienen einer Lagerung jeweils eines der Düsenabschnitte 47.
  • Die Düsenabschnitte 47 können zum einen verkippt werden, wodurch die Düsenaustrittsfläche 17 einstellbar ist. Die Düsenabschnitte 47 können des Weiteren über den jeweiligen Exzenter 72, 73 nach außen bewegt werden, wodurch die Düsenhalsfläche 16 einstellbar ist. Wie in der Figur 16 dargestellt, sind sowohl die beiden Schubumkehrertüren 161 als auch die beiden Düsenabschnitte 47 des Weiteren um die durch den Exzenter 71 bereitgestellte Achse insgesamt verschwenkbar, wobei bei ausgefahrenem Schubumkehrer der Strömungskanal 20 blockiert und die Heißgase entsprechend den Pfeilen C umgelenkt werden.
  • Damit die beiden Düsenabschnitte 47 gemäß der Figur 16 verschwenken können, ist es erforderlich, dass ihre Austrittskanten geeignet zueinander verlaufen. Im eingefahrenen Zustand des Schubumkehrers 15 sind die Austrittskanten 470 der Düsenabschnitte 47 - in der Seitenansicht der Figur 15 - in einem Winkel β zueinander angeordnet. Bei Ausfahren des Schubumkehrers 15 und Verschwenken der Düsenabschnitte 47 kommen die Austrittskanten 470 in Anlage und schließen dabei den Strömungskanal 20, vgl. Figur 16.
  • Die dem Strömungskanal 20 zugewandten Flächen von Schubumkehrer 15 und Verstelldüse 4 sind mit einem schallabsorbierenden Material 22 ausgekleidet.
  • Das Turbofan-Triebwerk ist in sämtlichen Ausgestaltungen der Erfindung derart ausgebildet, dass es einen vergleichsweise geringen Luftwiderstand besitzt. Hierzu weist es einen kreisförmigen oder näherungsweise kreisförmigen Querschnitt auf. Auch besitzt es keine lokalen Verdickungen, die der Aufnahme eines Hilfsgeräteträgers oder von Hilfsgeräten dienen. So ist vorgesehen, dass ein Hilfsgeräteträger und entsprechende Hilfsgeräte vollständig oder zumindest weitgehend aus dem Triebwerk ausgelagert und in den Pylon, der das Triebwerk mit dem Flugzeugrumpf verbindet, und/oder den Flugzeugrumpf integriert sind.
  • Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zeigt die Figur 17, die das Triebwerk in einer teilweise geschnittenen Ansicht von vorne zeigt. Vom Turbofan-Triebwerk sind die Triebwerksgondel 10, der Triebwerkseinlauf 1, der Nasenkonus 35 und der vorderste Fanrotor 31 des mehrstufigen Fans zu erkennen, wobei Fanschaufeln 310 des Fanrotors 31 dargestellt sind. Die Triebwerksgondel 10 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Triebwerk ist über einen Pylon 74 mit dem Flugzeugrumpf 70 verbunden. Ein Hilfsgeräteträger 61, der dem Antrieb und der Lagerung einer Mehrzahl von Hilfsgeräten 62 dient, ist im Pylon 74 und im Flugzeugrumpf 70 angeordnet und befestigt. So weist der Hilfsgeräteträger 61 Halterungen 611 zum Triebwerk, Halterungen 612 im Pylon 74 und Halterungen 613 im Flugzeugrumpf 70 auf. Die Hilfsgeräte 62 sind im Pylon 74 und/oder im Flugzeugrumpf 70 angeordnet.
  • Zum Antrieb des Hilfsgeräteträgers 61 ist dieser in an sich bekannter Weise über eine radiale Abtriebswelle 53, ein Kegelrad 52 auf der radialen Abtriebswelle 53 und ein Kegelrad 51 mit der Hochdruckwelle 81 des Triebwerks gekoppelt.
  • Die beschriebene Anordnung erlaubt die Ausführung einer schlanken, kreissymmetrischen Gondel mit reduziertem Luftwiderstand.
  • Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise ist die Art der Verstellbarkeit der verstellbaren konvergent-divergente Schubdüse nur beispielhaft zu verstehen.
  • Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert werden können. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims (15)

  1. Turbofan-Triebwerk für ein ziviles Überschallflugzeug, das aufweist:
    - einen Triebwerkseinlauf (1), der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, im Überschallflug die einströmende Luft auf Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit zu verzögern,
    - einen mehrstufigen Fan (3), der hinter dem Triebwerkseinlauf (1) angeordnet ist,
    - ein Kerntriebwerk, das einen Verdichter (7), eine Brennkammer (11) und eine Turbine (91, 92) umfasst,
    - einen Primärstromkanal (6), der durch das Kerntriebwerk führt,
    - einen Sekundärstromkanal (5), der am Kerntriebwerk vorbei führt,
    - eine verstellbare konvergent-divergente Schubdüse (4), die eine Düsenhalsfläche (16) und eine Düsenaustrittsfläche (17) ausbildet, wobei zumindest die Düsenhalsfläche (16) verstellbar ist,
    - wobei die Schubdüse (4) einen vorderen, stromaufwärtigen nicht verstellbaren Bereich (41) und einen hinteren, stromabwärtigen verstellbaren Bereich (42, 43) aufweist, und
    - einen Schubumkehrer (15), der in die verstellbare konvergent-divergente Schubdüse (4) integriert ist, wobei der Schubumkehrer (15) in den vorderen, nicht verstellbaren Bereich (41) der Schubdüse (4) integriert ist.
  2. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere, stromabwärtige verstellbare Bereich (42, 43) der Schubdüse (4) einen vorderen, verstellbaren Teilbereich (42) und einen hinteren, verstellbaren Teilbereich (43) umfasst.
  3. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubdüse (41) eine Innenwand (44) und eine Außenwand (45) umfasst, wobei der vordere, stromaufwärtige nicht verstellbaren Bereich (41) der Schubdüse einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich (451) der Außenwand (45) und einen vorderen, nicht verstellbaren Bereich (441) der Innenwand (41) umfasst, wobei der hintere, stromabwärtige verstellbare Bereich (42, 43) der Schubdüse einen hinteren, verstellbaren Bereich (452) der Außenwand (45) und einen hinteren, verstellbaren Bereich (442, 443) der Innenwand (44) umfasst, und wobei der hintere, verstellbare Bereich der Innenwand einen vorderen verstellbaren Innenwandbereich (442) und einen hinteren verstellbaren Innenwandbereich (443) aufweist.
  4. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubdüse (41) im vorderen, nicht verstellbaren Bereich (441) der Innenwand (44) mit einer schallabsorbierenden Auskleidung (22) versehen ist und/oder der Triebwerkseinlauf (1) mit einer schallabsorbierenden (21) Auskleidung versehen ist.
  5. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch zwei unabhängig steuerbare Verstellmechanismen, die axial verschiebbare Ringe (181, 182) umfassen und dazu vorgesehen und ausgebildet sind, die Austrittsfläche des vorderen verstellbaren Innenwandbereichs (442), die die Düsenhalsfläche (16) bildet, und die Austrittsfläche des hinteren verstellbaren Innenwandbereichs (443), die die Düsenaustrittsfläche (17) bildet, zu verstellen, wobei der vordere verstellbare Innenwandbereich (442), der hintere verstellbare Innenwandbereich (443) und der verstellbare Bereich (452) der Außenwand (45) jeweils aus einer Vielzahl über den Umfang verteilter Segmente (420, 430, 425) bestehen.
  6. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere, verstellbare Teilbereich (42) und der hintere, verstellbare Teilbereich (43) der Schubdüse (4) im Querschnitt rechteckig ausgebildet sind und jeweils ein ebenes oberes verstellbares Segment (421, 431) und ein ebenes unteres verstellbares Segment aufweisen, wobei das ebene obere Segment (421) und das ebene untere Segment des vorderen, verstellbaren Teilbereichs (42) sowie das ebene obere Segment (431) und das ebene untere Segment des hinteren, verstellbaren Teilbereichs (43) für eine Verstellbarkeit der Schubdüse (4) in vertikaler Richtung aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar sind.
  7. Turbofan-Triebwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (44) und die Außenwand (45) in jeder Verstellposition der Schubdüse (4) an der Düsenaustrittskante (46) spitz zulaufen.
  8. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (44) und die Außenwand (45) der Schubdüse (4) durch Schiebeführungen (175) miteinander verbunden sind, die sicherstellen, dass die Innenwand (44) und die Außenwand (45) in jeder Verstellposition der Schubdüse an der Düsenaustrittskante (46) spitz zulaufen.
  9. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (44) und die Außenwand (45) der Schubdüse (4) an der Düsenaustrittskante (46) einen radialen Abstand aufweisen, der im Bereich zwischen 5 mm und 30 mm, insbesondere im Bereich zwischen 10 mm und 20 mm liegt.
  10. Turbofan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubumkehrer (15) als außenliegender Schubumkehrer ausgebildet ist oder als innenliegender Schubumkehrer ausgebildet ist.
  11. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 10, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubumkehrer (15) als außenliegender Schubumkehrer ausgebildet ist und der Schubumkehrer (15) verschwenkbare Schubumkehrertüren (151) aufweist, die durch den vorderen nicht verstellbaren Bereich (451) der Außenwand (45) gebildet sind.
  12. Turbofan-Triebwerk nach Anspruch 10, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubumkehrer (15) als innenliegender Schubumkehrer ausgebildet ist und der Schubumkehrer (15) drehbare Schubumkehrertüren (160) aufweist, die durch die Innenwand (441) und die Außenwand (451) des vorderen, nicht verstellbaren Bereichs (41) der Schubdüse (4) gebildet sind.
  13. Turbofan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbofan-Triebwerk in einer Triebwerks-Gondel (10) mit kreisförmigem oder näherungsweise kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist und die Triebwerks-Gondel (10) keine lokalen Verdickungen für Getriebe und/oder Nebenaggregate aufweist.
  14. Turbofan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromaufwärts des mehrstufigen Fans (3) angeordneter Nasenkonus (35) in axialer Richtung verschiebbar ausgebildet ist und/oder ein hinter der Niederdruckturbine (92) angeordneter Mischer (12) vorgesehen ist, der Luft des Primärstromkanals (6) und Luft des Sekundärstromkanals (5) mischt, wobei der Mischer (12) und/oder ein Austrittskonus (13) des Triebwerks axial verschiebbar ausgebildet sind.
  15. Turbofan-Triebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Fanrotor oder Fanstator gilt, dass in der radialen Strömungsmitte (43) des Strömungskanals durch den Fan der axiale Abstand zwischen den Schaufeln eines Fanrotors (31, 33) oder Fanstators (32) und den Schaufeln des in Strömungsrichtung unmittelbar stromaufwärts angeordneten Fanstators (32) oder Fanrotors (31) zwischen 60% und 150%, insbesondere zwischen 80% und 130% der axialen Länge der Schaufeln des stromaufwärts angeordneten Fanstators (32) oder Fanrotors (31) beträgt.
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